CN111203469A - 一种金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件(200)，包括核心部件和辅助部件；所述核心部件包括下模底板(210)、下模模座(220)、下模镶块(230)、上模顶板(240)、上模模座(250)、上模镶块(260)、级进式模具(270)、侧推密封油缸模块(280)和电极压紧气缸模块(290)，下模底板上依照上下空间顺序依次设置下模模座、下模镶块、级进式模具、上模镶块、上模模座和上模顶板。本发明采用级进式模具，电阻加热工序和热气胀及淬火工序同时并行实现，级进式进料，因而节拍快，效率大幅提升。

Description

一种金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件
技术领域
本发明属于金属塑性加工技术领域，具体涉及一种金属管材气体胀形与快冷强化模具组件。
背景技术
当前汽车制造的潮流无疑在向着更大的减重目标转变，以最终实现更显著的节能和减少排放。轻量化是实现传统汽车节能减排，并解决当前新能源汽车续航里程不足问题的重要途径之一。
超高强度钢、高强铝合金、高强镁合金等材料是构成轻量化汽车车身的关键材料，该类材料成形过程中都存在塑性低、回弹大、易破裂的问题，传统工艺难以解决其高品质精确成形问题。金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺(HMGF&Q,Hot Metal Gas Forming&Quenching)为车身结构工程师提供了一种加工超高强度钢、高强铝合金等材料的全新途径，该工艺充分结合液压成形、吹塑成形和模压淬火强化成形(Press Hardening)等工艺的优点，通过快速加热使材料在高温下成形，并迅速同步完成模内淬火强化，改善成形性能的同时提高了成形质量和效率，特别适用于汽车A柱、B柱、防撞梁、扭力梁等高刚度封闭截面空间框架结构的制造，将车身轻量化水平和结构强度提升到全新的水平。
现有研究成果表明了HMGF&Q成形工艺可以将高强钢管材内压成形产品的强度从800MPa提升到1500MPa左右，工艺路线可行，应用前景良好，但目前现有技术中，大多没有抗氧化气体防护装置，导致如下工艺问题需要进一步解决：①连续炉加热成本高，需要采用有铝硅涂层等防护涂层的钢板制管，成本高、焊接夹杂影响成形产品质量。管材在连续炉气体保护氛围内加热和保温系统的高能耗也让系统能耗增加，防腐涂层板制管难题也使得成本增加；②采用裸板制管、电阻自发热方式加热，产品加热后机器人转运到模具内，则存在转运过程中遇空气氧化、生产节拍慢的缺点。这些缺点导致了高能耗、高成本的问题，最终该技术难以普及。
针对现有技术存在的不足，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件，包括核心部件和自动上下料模块，自动上下料模块设置在核心部件的两侧，为核心部件提供工件的上料和下料作业；所述核心部件包括下模底板、下模模座、下模镶块、上模顶板、上模模座、上模镶块、级进式模具、侧推密封油缸模块和电极压紧气缸模块，下模底板上依照上下空间顺序依次设置下模模座、下模镶块、级进式模具、上模镶块、上模模座和上模顶板，所述级进式模具包含有加热工位和热气胀及淬火工位。该模具组件将热气胀+淬火成形工位组合在一起，极大地缩短了加工时间，也避免了产品表面氧化的问题。
进一步地，所述级进式模具包括进给底板、进给模块和进给托板，所述进给模块驱动所述进给底板左右平移，也驱动所述进给托板进行上下升降运动；所述进给模块包括级进模驱动器、级进模驱动导向条、升降液压缸、旋转压紧气缸和可旋转压板，所述进给托板上设置有多个容纳工件端部的模腔，还设置有多个容纳旋转压紧气缸的孔槽。每个模腔对应于不同的加工工位。
进一步地，所述级进模驱动器包括驱动电机、减速器、齿轮和齿条，驱动电机固定设置在下模底板上，齿轮通过减速器与驱动电机连接，并与齿条啮合，齿条设置在进给底板上。
进一步地，所述级进模驱动导向条设置在所述下模底板上并与所述下模模座共同对所述进给底板进行平移导向。
进一步地，所述侧推密封油缸模块包括侧推密封油缸，所述电极压紧气缸模块包括电极压紧气缸。
进一步地，所述自动上下料模块包括摆渡上料小车、摆渡下料小车、摆渡上料翻转机械手和摆渡下料翻转机械手，所述摆渡上料小车、摆渡上料翻转机械手、核心部件、摆渡下料翻转机械手和摆渡下料小车依照左右空间顺序依次设置在下模底板上。
进一步地，所述摆渡下料小车包含有直线驱动器、上顶气缸、小车托板和工件卡板，直线驱动器用于驱动小车在下模底板上沿着导轨左右移动，上顶气缸用于驱动小车托板的升降，工件卡板设置在小车托板上，用于卡住工件。
进一步地，所述摆渡下料翻转机械手包含有直线驱动器、旋转驱动器、旋转机械臂和夹紧抓手，直线驱动器用于驱动小车在下模底板上沿着导轨左右移动，旋转驱动器用于翻转旋转机械臂，使得工件从下往上翻转180度，夹紧抓手用于抓取工件。
进一步地，所述级进式模具还包含有上料工位和出料保温工位。
本发明的有益效果：采用级进式模具，电阻加热工序和热气胀及淬火工序同时并行实现，级进式进料，因而节拍快，效率大幅提升。
附图说明
图1是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件一种实施例的结构剖面示意图，其中的物料流向是从右向左。
图2是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件一种实施例的俯视结构示意图。
图3是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件一种实施例的侧视结构示意图。
图4是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件一种实施例的前视结构剖面示意图。
图5是图4的局部放大示意图。
图6是图4的局部俯视示意图和侧视示意图。
图7是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件一种实施例的摆渡小车的结构示意图。
图8是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件一种实施例的翻转机械手结构示意图。
其中，2A-上料工位，2B-加热工位，2C-热气胀及淬火工位，2D-出料保温工位，200-模具组件，201-摆渡上料小车，202-摆渡下料小车，2021-直线驱动器，2022-上顶气缸，2023-托板，2024-工件卡板，203-摆渡上料翻转机械手，204-摆渡下料翻转机械手，2041-直线驱动器，2042-旋转驱动器，2043-旋转机械臂，2044-夹紧抓手，210-下模底板，211-导轨，220-下模模座，230-下模镶块，240-上模顶板，250-上模模座，260-上模镶块，270-级进式模具，271-进给底板，272-进给模块，2721-级进模驱动器，27211-驱动电机、27212-减速器、27213-齿轮，27214-齿条，2722-级进模驱动导向条，2723-升降液压缸，2724-旋转压紧气缸，2725-可旋转压板，273-进给托板，2731-模腔，2732-孔槽，2733-导柱，280-侧推密封油缸模块，290-电极压紧气缸模块，W-工件，520-安全防护与密封仓，521-泄压孔。
具体实施方式
以下结合附图1-8，对本发明进行进一步地说明。
如图1所示，本发明的一种金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件200，包括核心部件和自动上下料模块，自动上下料模块设置在核心部件的两侧，为核心部件提供工件W的上料和下料作业；核心部件包括下模底板210、下模模座220、下模镶块230、上模顶板240、上模模座250、上模镶块260、级进式模具270、侧推密封油缸模块280和电极压紧气缸模块290，下模底板210上依照上下空间顺序依次设置下模模座220、下模镶块230、级进式模具270、上模镶块260、上模模座250和上模顶板240；级进式模具270包含有加热工位2B和热气胀及淬火工位2C。该模具组件将热气胀+淬火成形工位组合在一起，极大地缩短了加工时间，也避免了产品表面氧化的问题。
电极压紧气缸模块290包括电极压紧气缸、侧推密封油缸模块280包括侧推密封油缸和侧推密封封头。
如图2-3、6所示，级进式模具270包括进给底板271、进给模块272和进给托板273，进给模块272具有多种驱动功能，既可以驱动进给底板271左右平移，也可以驱动进给托板273进行上下升降运动，还能对工件W进行压紧；具体的，进给模块272包括级进模驱动器2721、级进模驱动导向条2722、升降液压缸2723、旋转压紧气缸2724和可旋转压板2725，进给托板273上设置有多个容纳工件W端部的模腔2731，还设置有多个容纳旋转压紧气缸2724的孔槽2732。每个模腔2731对应于不同的加工工位，例如上料工位2A，加热工位2B，热气胀及淬火工位2C，出料保温工位2D。进给托板273还设置有定位用的导柱2733。升降液压缸2723可以推动进给托板273在多个高度停留，例如最低位置的下限位、中间的合模位和抬升工件级进的上限位。
如图4所示，级进模驱动器2721包括驱动电机27211、减速器27212、齿轮27213和齿条27214，其中驱动电机27211固定设置在下模底板210上，齿轮27213通过减速器27212与驱动电机27211连接，并与齿条27214啮合，齿条27214设置在进给底板271上。形成齿轮齿条传动体系。
如图5所示，级进模驱动导向条2722固定设置在下模底板210上并与下模模座220共同对进给底板271进行平移导向。在级进模驱动导向条2722和下模模座220的共同限制下，进给底板271由齿轮27213、齿条27214形成的齿轮齿条传动体系驱动，在下模底板210上左右平移。
如图1所示，自动上下料模块包括摆渡上料小车201、摆渡下料小车202、摆渡上料翻转机械手203和摆渡下料翻转机械手204，摆渡上料小车201、摆渡上料翻转机械手203、核心部件、摆渡下料翻转机械手204和摆渡下料小车202依照左右空间顺序依次设置在下模底板210上。
如图7所示，摆渡上料小车201和摆渡下料小车202的结构相同，都包含有直线驱动器2021、上顶气缸2022、小车托板2023和工件卡板2024，直线驱动器2021用于驱动小车在下模底板210上沿着导轨211左右移动，上顶气缸2022用于驱动小车托板2023的升降，工件卡板2024设置在小车托板2023上，用于卡住工件W。
如图8所示，摆渡上料翻转机械手203和摆渡下料翻转机械手204的结构相同,都包含有直线驱动器2041、旋转驱动器2042、旋转机械臂2043和夹紧抓手2044，直线驱动器2041用于驱动小车在下模底板210上沿着导轨211左右移动，旋转驱动器2042用于翻转旋转机械臂2043，使得工件W从下往上翻转180度，夹紧抓手2044用于抓取工件W。
本发明还提供了一种利用金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件200处理汽车车身A柱的工艺，包括如下的信息：
1)待处理工件W的目标零件是车身A柱，管坯规格：材料22MnB5(高强钢或高强铝合金等能够淬火强化的材料)、外径50mm、壁厚2mm(或不等厚管)、长度1800mm。
2)将22MnB5无涂层板通过焊接或挤出、拉拔、滚压等方式制成所需规格要求的无涂层板钢管坯料或型钢。无涂层板钢管经切割、去毛刺、清洗等准备工序，进入生产线环节。
3)当目标零件为轴线弯曲的零件时，对钢管首先进行弯曲加工，获得弯管中间工序件，弯曲方式有数控绕弯、推弯、滚弯、压弯等。若上一步制管工序采用滚压方式制管，也可在制管工序采用异形截面弯曲型钢滚压成形工艺，经过焊接进而制成异形截面弯曲轴线的中间工序件。
4)必要时对弯曲中间工序件或直管进行预成形加工，挤压中间工序件使其能够被顺利放入胀形工序的模腔内，并获得较好的材料初始分布状态。
5)设置安全防护与密封仓520的初始状态为纯防氧化正压气体环境(氮气、惰性气体或CO2等)，正压压力推荐1.5-2.0个大气压。
6)过渡入仓首先上料过渡密封气室结构中的上盖板打开，此时上盖板和摆渡上料小车201的小车托板2023都处于上限位，将裸板钢管、型钢或预成形后的裸板钢管工件W放置在摆渡上料小车201的小车托板2023的型面支架上，上盖板下行到下限位，上料过渡密封气室封闭，设备气体循环系统从上料过渡密封气室的一端释放低压氮气到上料过渡密封气室内，另一端抽出空气，完成气体置换。摆渡上料小车201的小车托板2023由上限位下行至下限位，新进工件(新进入的工件，相对于已经在各加工位的工件而言，简称新进工件)W经由自动上下料模块运送，从上料过渡密封气室进入热气胀成形机(液压机100)内具有密封环境和安全泄压结构的安全防护与密封仓520内，最终完成过渡入仓动作。
7)摆渡上料上料时，摆渡上料小车201处于外侧限位，上料完成后，摆渡上料小车201在其直线驱动器2021的推动下由外侧限位位置向级进式模具270一侧沿导轨211平移至内侧限位(此时新进工件W上方没有上料过渡密封气室干涉)。摆渡上料翻转机械手203由其内侧限位沿导轨211移动至外侧限位后，机械手203的旋转驱动器2042驱动旋转机械臂2043由默认竖直位置翻转至外侧，夹紧抓手2044夹紧该新进工件W，然后旋转机械臂2043旋转至竖直位置，至此开模前置上料动作完成。
等到液压机开模后，上模上行至上限位，此时除上料工位2A处的旋转压紧气缸2724外，所有工位上的其它旋转压紧气缸2724迅速进入压紧状态(不然在升降液压缸2723上升时，这些工位上的工件就被顶歪了)，随后进给模块272的升降液压缸2723由合模位升至上限位(此时进给托板273处于上料侧限位处，进给托板273在高度上也处于上限位。【开模后置上料动作】开始，摆渡上料翻转机械手203沿导轨211移至内侧限位位置，旋转机械臂2043翻转至内侧限位，将新进工件W放置在进给托板273上的上料工位2A上，上料工位2A处的旋转压紧气缸2724和可旋转压板2725在下压的同时旋转至压料位置，压紧工件W，机械手203的夹紧抓手2044松开工件W，旋转机械臂2043旋转复位至竖直位置。至此摆渡上料动作完成。
8)多工位级进在完成摆渡上料动作后，此时的进给托板273处于上限位，进给底板271在级进模驱动器2721的驱动下带着进给托板273由上料侧限位向落料侧限位平移，所有工位上的工件都被进给托板273托举并平移向落料侧限位，此时电极压紧气缸和侧推密封油缸的活塞杆处于回退限位处，侧推密封封头与进给托板273在竖直和水平方向都不干涉。待进给底板271移动到落料侧限位处后，此时新进工件由上料工位2A进给到加热工位2B的正上方；与此同时，在相同的动作下，加热工位2B上的工件进给至热气胀及淬火工位2C的正上方，热气胀及淬火工位2C上的工件进给至下料保温工位2D的正上方，下料保温工位2D上的工件进给至摆渡下料翻转机械手204的旋转机械臂2043的夹紧抓手2044(此时抓手处于打开状态)的正上方；接着，升降液压缸2723由上限位下降至合模位，然后夹紧抓手2044夹紧工件W，进而，所有工位上的旋转压紧气缸2724由下限位上升至上限位，可旋转压板2725松开工件W，并旋转90°避让开工件两端，然后摆渡下料翻转机械手204的旋转机械臂2043转至竖直位置(此时夹紧抓手2044上正夹着即将下料的工件W)，并沿其导轨211平移至外侧限位，以便液压机下压后避让上模结构，也为随后的下料出仓作准备；升降液压缸2723由合模位下降至下限位，进给托板273跟着下降到下限位，然后进给底板271在级进模驱动器2721的反向驱动下带着进给托板273由落料侧限位向上料侧限位平移，在此平移过程中，处在加热工位2B、热气胀及淬火工位2C和下料保温工位2D上的工件W由于下模的顶托作用，不产生移动，且不与松开工件状态的可旋转压板2725干涉。进给底板271平移到上料侧限位后，升降液压缸2723由下限位提升至合模位，进给托板273同步上升至合模位。至此多工位级进动作完成，所有位置的工件W都完成了一次进给循环。
9)合模加载进给模块272完成多工位级进后，液压机由上限位下压至下限位，并完成合模动作。然后电极压紧气缸和侧推密封油缸的活塞杆向工件端口运动到密封位置，完成密封和夹持，升降液压缸2723向上加载(位移很小)，使得进给托板273贴紧上模模座(且上模模座不与松开工件状态的可旋转压板2725干涉)，同时充分夹紧每个工序的工件W，该阶段的夹紧力应足以保证气体胀形力最大时进给托板273一直紧贴上模模座和工件端口的密封效果。
合模后，快速加热、热气胀+快冷、保温、下料与上料准备工序同时进行。以下单独介绍各自工艺动作。
10)快速加热液压机合模后，快速加热模块300启动，加热工位2B上的工件W被夹紧并开始被迅速加热。
11)热气胀+快冷液压机合模后，热气胀及淬火工位2C上的工件W两端被侧推密封封头282密封，高压气体通过密封封头282的通气管道进入高温工件W内，将工件W胀形至贴模，然后高温工件W的热量被模具内带冷却水道的上下模镶块(230,260)带走，工件W从700-900℃以大于27K/s的速度冷却至200-300℃，进而实现淬火强化，并保留余温准备开模。
12)液压机合模后，工件W在下料保温工位2D开始被保温，调节强度和韧性。
13)下料出仓摆渡下料翻转机械手204将工件W传递给摆渡下料小车202，摆渡下料小车202将工件W传递给下料过渡密封气室，进而实现与过渡进仓、摆渡上料对称的动作，完成下料出仓，成形后的工件W被机器人或工人转运至后续切割加工工位。
14)上料准备同时，再进行一次过渡进仓和摆渡上料动作的开模前置动作。
15)开模以上快速加热、热气胀+快冷、保温、下料与上料准备动作完成后，液压机开模，侧推密封油缸和电极压紧气缸退回，【开模后置上料动作】重复开始：级进式模具270的升降液压缸2723向上至上限位，使得进给托板273上升至上限位，旋转压紧气缸2724下行压紧工件。进而开始下一次多工位级进，如此循环往复。
16)热气胀成形机(液压机)内的级进式模具270中，在加热工位2B由快速加热模块进行电阻加热，实现快速加热。
17)加热后的工件W进入热气胀+淬火工位2C，先进行热气胀作业，接着进行淬火作业。
18)淬火后的工件W进入出料保温工位，保温预定时间。
19)将保温完毕的工件W由自动上下料模块从密封环境中取出。
以上内容是结合具体的优选方式对本发明所作的说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的演绎和替换，都将视为属于本发明提交的权利要求书所确定的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件(200)，包括核心部件和自动上下料模块，自动上下料模块设置在核心部件的两侧，为核心部件提供工件(W)的上料和下料作业；其特征在于：所述核心部件包括下模底板(210)、下模模座(220)、下模镶块(230)、上模顶板(240)、上模模座(250)、上模镶块(260)、级进式模具(270)、侧推密封油缸模块(280)和电极压紧气缸模块(290)，下模底板(210)上依照上下空间顺序依次设置下模模座(220)、下模镶块(230)、级进式模具(270)、上模镶块(260)、上模模座(250)和上模顶板(240)，所述级进式模具(270)包含有加热工位(2B)和热气胀及淬火工位(2C)。
2.如权利要求1所述的模具组件(200)，其特征在于，所述级进式模具(270)包括进给底板(271)、进给模块(272)和进给托板(273)，所述进给模块(272)驱动所述进给底板(271)左右平移，也驱动所述进给托板(273)进行上下升降运动；所述进给模块(272)包括级进模驱动器(2721)、级进模驱动导向条(2722)、升降液压缸(2723)、旋转压紧气缸(2724)和可旋转压板(2725)，所述进给托板(273)上设置有多个容纳工件(W)端部的模腔(2731)，还设置有多个容纳旋转压紧气缸(2724)的孔槽(2732)。
3.如权利要求2所述的模具组件(200)，其特征在于，所述级进模驱动器(2721)包括驱动电机(27211)、减速器(27212)、齿轮(27213)和齿条(27214)，其中驱动电机(27211)固定设置在下模底板(210)上，齿轮(27213)通过减速器(27212)与驱动电机(27211)连接，并与齿条(27214)啮合，齿条(27214)设置在进给底板(271)上。
4.如权利要求2所述的模具组件(200)，其特征在于，所述级进模驱动导向条(2722)设置在下模底板(210)上并与所述下模模座(220)共同对所述进给底板(271)进行平移导向。
5.如权利要求1所述的模具组件(200)，其特征在于：所述侧推密封油缸模块(280)包括侧推密封油缸，所述电极压紧气缸模块(290)包括电极压紧气缸。
6.如权利要求1所述的模具组件(200)，其特征在于，所述自动上下料模块包括摆渡上料小车(201)、摆渡下料小车(202)、摆渡上料翻转机械手(203)和摆渡下料翻转机械手(204)，所述摆渡上料小车(201)、摆渡上料翻转机械手(203)、核心部件、摆渡下料翻转机械手(204)和摆渡下料小车(202)依照左右空间顺序依次设置在下模底板(210)上。
7.如权利要求6所述的模具组件(200)，其特征在于，所述摆渡下料小车(202)包含有直线驱动器(2021)、上顶气缸(2022)、小车托板(2023)和工件卡板(2024)，直线驱动器(2021)用于驱动小车在下模底板(210)上沿着导轨(211)左右移动，上顶气缸(2022)用于驱动小车托板(2023)的升降，工件卡板(2024)设置在小车托板(2023)上，用于卡住工件(W)。
8.如权利要求6所述的模具组件(200)，其特征在于，所述摆渡下料翻转机械手(204)包含有直线驱动器(2041)、旋转驱动器(2042)、旋转机械臂(2043)和夹紧抓手(2044)，直线驱动器(2041)用于驱动小车在下模底板(210)上沿着导轨(211)左右移动，旋转驱动器(2042)用于翻转旋转机械臂(2043)，使得工件(W)从下往上翻转180度，夹紧抓手(2044)用于抓取工件(W)。
9.如权利要求1-8任一所述的模具组件(200)，其特征在于，所述级进式模具(270)还包含有上料工位(2A)和出料保温工位(2D)。
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